DCS分散控制系统原理

DCS 分散控制系统原理分散控制系统原理 第一讲第一讲 绪论绪论 DCS 从 1975 年问世以来 大约有三次比较大的变革 七十年代操作站的硬件 操作 系统 监视软件都是专用的 由各 DCS 厂家自己开发的 也没有动态流程图 通讯网络基 本上都是轮询方式的 八十年代就不一样了 通讯网络较多使用令牌方式 九十年代操作 站出现了通用系统 九十年代末通讯网络有部份遵守 TCP IP 协议 有的开始采用以太网 总的来看 变化主要体现在 板 操作站和通讯网络 控制器相对来讲变化要小一些 操作站主要表现在由专用机变化到通用机 如 PC 机和小型机的应用 但是目前它的操作 系统一般采用 UNIX 也有小系统采用 NT 相比较来看 UNIX 的稳定性要好一些 NT 则 有死机现象 I O 板主要体现在现场总线的引入 DCS 系统 从理论上讲 一个 DCS 系统可以应用于各种行业 但是各行业有它的特殊性 所以 DCS 也就出现了不同的分支 有时也由于 DCS 厂家技术人员工艺知识的局限性而引起 如 HONEYWELL 公司对石化比较熟悉 其产品在石化行业应用较多 而 AILEY 的产品 则在电力行业应用比较普遍 用户在选择 DCS 的时候主要是要注意其技术人员是否对该生 产工艺比较熟悉 然后要看该系统适用于多大规模 比如 NT 操作系统的就适应于较小规 模的系统 最后是价格 不同的组合价格会有较大的差异 而国产的 DCS 系统价格比进口 的 DCS 至少要低一半 算上备品备件则要低得更多 DCS 由四部份组成 I O 板 控制器 操作站 通讯网络 I O 板和控制器国际上各 DCS 厂家的技术水平都相差不远 如果说有些差别的话是控制器内的算法有多有少 算法 的组合有些不一样 I O 板的差别在于有的有智能 有些没有 但是控制器读取所有 I O 数 据必须在一秒钟内完成一个循环 操作站差别比较大 主要差别是选用 PC 机还是选用小 型机 采用 UNIX 还是采用 NT 操作系统 采用专用的还是通用的监视软件 操作系统和监 视软件配合比较好时可以减少死机现象 差别最大的是通讯网络 最差的是轮询方式 最 好的是例外报告方式 根据我们的实验 其速度要相差七八倍 第二讲第二讲 DCS 在选型中的几个问题在选型中的几个问题 被控制对象确定以后 选用什么样的控制系统就成为重要问题 主要是根据项目规模 和投资预算来考虑的 以数字技术为基础的 DCS 系统和早期的模拟仪表组成的控制系统 从工程项目的实施来看 本质差别不大 主要考虑项目规模和投资预算 但 DCS 与模拟仪 表相比 它更为复杂 技术性要求更高 下面我来谈谈 DCS 系统选型中的几个问题 从理 论上来讲 DCS 可以用与不同的工艺过程 它是通用的 但是 DCS 的制造厂家专长与某 一领域 如 HOMEYWELL 主要用于石化部门 BAILEY 公司的 N90 INFI90 主要用于 电力系统 ROSEMOUNT 的 RS3 V 大多用于化工系统 但也不能否认不同工艺过程 会有一些特殊要求 如 电厂一定要有电调设备和 SOE 石化部门一定要有选择性控制 水泥行业一定要有大纯滞后控制补偿等 选型时也要考虑这些因素 第二点就是经济性 应该从 DCS 本身价格和预计所创效益角度考虑 DCS 有国产的 和进口的 对相同档次而言 进口的控制功能强一些 有一些先进的控制算法 如 Smith 预估 三维矩阵运算等 国产 DCS 价格要比进口的低很多 也能满足技术要求 从结构上 来看 国外 DCS 的控制器各厂家差别不太远 控制器的预置算法稍有差别 控制器与 I O 板的连接方式也有所不同 而操作站区别较大 有以 PC 机为基础的 有以小型机为基础 的 操作系统一般选用 UNIX 类系统 小型机的价格要比 PC 机高很多 进口小型机操作 站的价格要高于四万美金 而且许多机型已经停产 如 DEC 公司的 VAX 机和 机 PC 机的操作站不到三万美金 它的操作系统采用 NT 其稳定性没有 UNIX 好 小型机的 接口采用 SCSI 传输速率是串行的 8 倍之多 以 NT 操作系统作为操作站的 点数要少一 些 不然会频繁死机 国产的 PC 机更便宜得多 采用 PC 机操作站 可以采用最新的机型 操作人员对软件的安装 调试 联网和开发也要熟悉得多 监视软件有专用的也可以用通 用的 通用的监视软件开放性要好一些 用户应按照项目的规模大小和预算资金来选择使 用 DCS 比较贵的原因 除了上述理由外 还有控制器的电源系统 通常采用冗余供电 电源的引入和散热是价格贵的主要原因 各个 DCS 系统在这方面差别比较大 把控制器和操作站联系起来的通讯网络也要考虑 如果采用通用的以太网 则网卡等 价格很低 专用的网络接口很贵 最贵可以达到 20000 美金 因此 经济性与很多因素有关 有时外商给你报价降下来 实际是改变了一些结构而 已 并没有给你什么优惠 甚至他的利润还增加了 这时可取的办法是联系国内类似的单 位和请教有经验的专家 第三点就是承包方的技术力量 也就是承包方对哪一工艺过程和 DCS 本身比较熟悉 如经常做化工控制系统的承包商来做轧制的控制系统 他对活套的控制 卷曲的控制和张 力的控制等就不太熟悉 做的工程就不会太好 如果承包方对 DCS 本身不熟悉 控制器做 的太大时会产生死机 不少工厂都购买了不同厂家的 DCS 系统 我们称之为 八国联军 状态 此时更要选择技术力量比较强的单位抓总 而不宜选择某一个国外厂商作为承包商 第四点是售后服务 国外厂商通常情况下配品 备件供应价格高 且不能及时提供 DCS 用户应选择厂商实力雄厚的 技术力量强的 境内技术支持好的厂家 计算机技术发 展很快 DCS 厂家也会不断更新它的产品 新旧产品兼容性要好才行 个别厂家新旧系统 不兼容 系统升级时造成很大损失 国内的 DCS 厂家配品 备件供应比较及时 售后服务 方面做的也比较好 第五点是关于 DCS 的技术先进性 指系统采用了经过验证的最新技术 并有发展前途 和生命力 包括 DCS 系统的开放和互联 现场总线的应用 第三方软件的支持等 这里要 注意的一点是 有些厂家为了占领市场 把一些不成熟的产品推到第三世界 如五 六年 前 DCS 缺少小型系统 有的厂家把不太成熟的小型系统推到用户 结果这 270 多套系统基 本都已经提前退役 早在 1983 年 某外国公司推销的 DCS 在电源出现故障并复电后 控制器的输出是任意的 此时阀门的位置就很危险 这种产品本不能出厂 但还是卖给了 我们国家 结果购买单位基本上没有运行 总之 DCS 从七五年到现在已经有二十多年的应用历史了 可靠性方面基本都能达到 要求 建立系统时选型是一个非常重要的环节 我们不但主要考虑项目规模和投资预算 还要考虑到一系列其它的因素 选型是否恰当往往从一开始就决定了该系统今后的命运 万万不可掉以轻心 第三讲第三讲 DCS 操作站操作站 DCS 系统包括三大部分 带 I O 部件的控制器 通讯网络和人机接口 人机接口包括 操作站 工程师站和历史站 控制器 I O 部件和生产过程相联接 操作站和人相联系 通 讯网络把这两部分联成系统 所以操作站是 DCS 的重要组成部分 工程师站给控制器和操 作站组态 历史站记录生产过程的历史数据 一个 DCS 系统控制器和 I O 部件通常可以运行 16 20 年 而操作站因为有活动部件 还有一些相互的电磁干扰 所以比较容易损坏 如 硬盘 键盘 CRT 软驱等 运行 6 8 年后出现故障的概率就比较大 据初步统计最长的也只能运行十年左右 所以在 DCS 运行 过程中 更新操作站的情况比较多 DCS 的控制器的变化较小 其变化表现在控制算法的安排 控制算法的多少 存取的 I O 点数的多少和内存的大小等 它随着硬件的进步而做相应的更改 操作系统一般都是 专用的 操作站的变化就很大 八十年代以前的操作站 一般没有硬盘及动态流程图 能 显示的标签数比较少 例如 500 个标签 标签指的是 AI DI 回路 开关量的逻辑关系等 八十年代出现了能显示 5000 个标签的操作站 九十年代出现了能显示 30000 个标签的操 作站 同时 也出现了在微软的 NT 通用平台上运行的通用显示软件 开始 通用软件只 在 PLC 的操作站上使用 后来也逐渐应用在 DCS 上 它的标签量可以达到 10000 个 DCS 操作站发展的过程 以 BAILEY 的操作站为例 如下 一 八十年代初 N90 的操作站是 OIU 系列 当时是无硬盘 无动态流程图的 标签 量 500 后来增加了硬盘和流程图 标签量 1400 5000 点 八十年代中期推出了 MCS 系列 标签量 10000 特别是 MCSPULS 它是 SCSI 接口 可以有 30000 个标签点 当时在 DCS 市场上处于领先地位 1986 年 BAILEY 产品占世界 DCS 市场的 1 3 到 1988 年 共有 8500 套在世界各国运转 到了 90 年代 DCS 市场争夺激烈 BAILEY 无论在技术上还是 在销售方面都不象 80 年代那样令人瞩目 于是 BAILEY 公司欲通过收购 FISCHER PORTER HARTMANN BRAUN 等公司销售他们的系统来重铸辉煌 BAILEY 的控制器和通讯网络都比较好 但在操作站上面 不能与竞争者相比 BAILEY 最新的操作站是以 WINDOWS NT 通用微机为基础的 Conductor NT 实际上 该操作站不是为 INFI 90 开发的 它是 FISCHER PORTER 的系统 6 的操作站 用它的监 控软件嵌入和 INFI 90 通讯的驱动软件而成 由于销售量不大 磨合的机会少 问题比较 多 死机现象严重 OIS40 系列的操作站运行在 DEC 的 VMS 平台上 实际上 它仍然是 在 MCS 操作站的 MTOS 操作系统平台上 开发了一个与 VMS 通讯的驱动软件 因为 80 年代的 OIU 和 MCS 在 80 年代末都已经停止销售 BAILEY 只卖 OIS20 系列和 OIS40 系列 OIS20 系列是 90 年代初推向市场的 它本质上是 MCS 但它们能与 INFI 90 通讯 它 的开发 制造成本都比较低 性能也比较好 OIS20 系列的辅站不是用网络来传输信息的 只是在主站上多加了 1 块显卡来实现辅站的功能 后来因维护成本很高 硬盘和软驱都难 以买到 用户反映不太好 继 OIS20 系列 BAILEY 公司推出了 OIS41 OIS42 在操作站之间增加了以太网卡 组成后门网络 可以实现打印机共享 把图形传给不同主站的能力也有所增强 也给用户 提供了开发打印系统的空间 这是后话 由于 OIS40 OIS41 OIS42 主机性能较差 所以 操作站的性能提高不明显 直到 OIS43 Alpha 芯片的出现 性能才得到提高 同时 加拿大 BAILEY 公司开发了 PCV 它是以 PC 为基础的操作站 采用 QNX 操 作系统 因为它的标签量较少 价格低廉 运行稳定 故适用于小系统的使用 这就是 BAILEY 的 OIS10 系列 版本 5 以前 只有文本没有图形 版本 5 以后既有文本也有图形 OIS11 操作站后门之间用 ARCNET 联网 OIS12 既可用 ARCNET 也可用以太网联网 由于 OIS40 系列软件结构复杂 故价格较高 更重要的一点是 DEC 公司被 COMPAQ 公司兼并 Alpha 机 255 233 停止生产 这给 BAILEY 公司和用户无疑是雪上加霜 二 八十年代中期 因为 PLC 操作站的开发都不太成功 一些软件公司就开发了通用 的监控软件 且很快就被 PLC 制造厂家所采用 如 FIX INTOUCH ONSPEC 等 一共有上百种 由于市场前景较好 所以软件开发商又 开发了许多 PLC 的驱动软件 到了九十年代 又开发了 DCS 的驱动软件 最早采用通用 工控监控软件的是 MOORE 公司的 APEC 系统 它既可以用 INTOUCH 也可用 FIX 以 FIX 软件为基础的操作站也应用在 Fisher Rosmont DeltaV and Toshiba DCS 系统上 由于 INFI 90 系统在九十年代一直没有推出比较优秀的操作站 故 PREVISE 公司推出了 OPsCon 操作站 OPsCon 操作站运行在 PC 硬件平台 NT 操作系统下 把 FIX 作为监控软件 并开发 了能与多种 DCS 通讯的对应驱动软件 标签量为 10000 个 因为 FIX 软件在世界各地已 经销售了 90000 套 它与各种 PLC DCS 和 NT 系统磨合较好 这种监控软件只要开发出 多种 PLC DCS 的驱动软件就可以成为通用操作站 2000 年开始应用在 INFI 90 系统上 如 新西兰的一家造纸厂 原来已经运行有 CONDUCT NT 后来还是改用 OPsCon 通用操作站的功能不仅具备专用操作站的功能 如 绘制动态流程图 报警 实时趋 势和历史趋势 DCS 参数调整 模件诊断 模件编程等 如 OPsCon 的工程师站新增的 功能在于不仅能给模件编程 还可以读取模件的编程 通用操作站的出现 给 DCS 用户带 来了以下方便 不必再为原 DCS 生产厂家是否倒闭 被兼并 该型产品是否已经停产 备件是否 能够找到而操心 由于通用操作站通用操作站的适用面广 相对生产量大 成本下降 因而可以节省用户的经 费 维护费用也比较少 采用通用系统要比使用各种不同的专用系统更为简单 用户也可减少人员培训的 费用 更新和升级容易 开放性能好 很容易建立生产管理信息系统 因此 通用操作站是 DCS 的发展方向 第四讲第四讲 动态数据服务器动态数据服务器 DCS 系统属于基础自动化 MIS 系统侧重于办公自动化 这两者在反映速度上的区别 很大 DCS 是属于秒级的 而 MIS 是以小时或更长时间为单位的 所以这两者之间必须要 有隔离设备 这个隔离设备就是动态数据服务器 它的功能是生产过程监控 历史数据的 存储及管理 统计质量控制 设备预防性维护 设备故障诊断 生产优化等 DCS PLC 采集现场的生产过程数据通过通讯网络把数据传给操作站和动态数据服务 器 动态数据服务器是采集生产全过程的模拟信号或逻辑信号 所以它的采集速度是海量 的 要经过数据淘金 将信号送到生产管理部门 通常情况下 一个企业往往有几种不同牌号的 DCS PLC 要把这几种信号都集中到 动态数据服务器中 最好要选择一个通用显示平台 在这个平台上来显示不同型号的 DCS PLC 的信号 通用显示平台可采用 FIX INTOUCH 组态王 Synall 等软件 开发 各种 DCS 和 PLC 的驱动软件 最近出厂的 DCS 采用通用操作站 它采用 NT 操作系统 监控软件就是 FIX INTOUCH 不同 DCS 型号采用不同的驱动软件 各种 DCS 之间信号传输采用 OPC 服务器联接 也可以把少量的信号送到 MIS 系统的服务器中 FIX INTOUCH 等软件都 能存储历史数据 几十个信号可存储 280 天之多 如要存储更多的历史数据 可以采用 OSI 历史数据库 它可以存储三年以上 这些通用监控软件都有 OSI 的接口 老一代的 DCS 系统的操作站无论操作系统还是监控软件都是专用的 和其它系统通讯都非常困难 如要建立系统间的互联 通过计算机接口单元建立动态数据服务器 监控软件仍然可以使 用通用的 在 NT 平台上运行 但它的数据只能上行 不能下行 在设计 MIS 系统过程中 最好使用动态数据服务器 不要把 DCS 和 PLC 数据直接送到 Web 否则会影响到 DCS PLC 的正常运行 至于究竟需要建立多少个动态数据服务器 由所需采集的数据量 和数据安全决定 一般情况下 可达 10000 点 第五讲第五讲 DCS 的通讯网络堵塞和人机界面死机现象的通讯网络堵塞和人机界面死机现象 在 DCS 的通讯网络上连接有几种不同的结点 它通常分为两大类 一类是直接与生产 过程通过 I O 板连接起来的结点 我们称之为控制器 控制器根据功能不同又可以分为数 据采集控制器和回路控制器 两者可以合为一个结点 另一类结点是与人机相连的 称为 人机界面 它们通过通讯网络采集控制器中的数据 根据功能又分为操作站 这是工厂运 营的主要设备 它既要从控制器中读取数据 又要将运营人员的意图送给控制器 所以数 据传输是双向的 人机界面的另外几种结点分别是工程师工作站 历史趋势站和动态数据 服务器 工程师工作站通常只在系统投运前 把存储在控制器中的各种算法按照生产要求 连接起来 并填进参数最后下装给控制器 它是组态用的工具 系统投运以后可以离线 工程师站的工作区别于用算法语言编程 称之为组态 控制器的存储器中存有各种控制算法 如 PID 加 减 乘 除 三角函数 矩阵 运算 先进算法史密斯预估器 与 BASIC C 语言接口等 如果操作站中的监控软件作图 功能不能满足要求 也可由工程师站做动态流程图 然后装载给操作站 为了 DCS 的控制器和操作站的升级 不改变组态 由逆向工程师站读取控制器组态 然后下装给升级后的控制器 逆向工程师站的另外一个功能是为了查找故障 读取控制器 组态供分析使用 人机界面的另一个重要结点是动态数据服务器 它是 DCS 和 MIS 系统的接口 是 DCS 和 Web 的隔离设备 它的特点是数据只能上行 不能下行 而且存储的数据量是海 量的 历史趋势站和动态数据服务器类似 它的功能可以合并到动态数据服务器上 也可 以单独成为一个结点 在系统刚投入运行时 由于系统组态不完善 经常发生网络堵塞 但投运一段时间后 就很少发生网络堵塞 近来 由于 MIS 系统需要从 DCS 中读取生产实时数据 在网络中接进动态数据服务 器 网络堵塞现象就变得十分频繁 并使得各种人机界面的结点死机现象很严重 网络堵 塞现象的严重程度与多种因素相关 当结点连到 DCS 的通讯网络上时 通常有一个网络接口 控制器把数据送到接口 人 机界面从网络接口读取数据 读取数据应遵守网络通讯协议 网络物理结构有环形和总线 两种 总线网络在逻辑上也是环形的 星形网络只用于小系统 100 个 I O 点内 常用 的通讯协议是广播式的 在网络上的结点 只要把数据送到网络上 它就要不断广播数据 需要数据的结点就接收数据 广播式协议的网络除了这种方式以外 还有一种方式 一个 结点向网上的其他结点问询数据 但如果其他结点没有这个数据 它就反复进行问询工作 直至读取到这个数据 那么如果网络上根本没有这个数据 就会造成网络堵塞 操作站死机现象 不管何种 DCS 系统 在 DCS 七十年代问世以来 都不同程度的存 在死机现象 操作站主要软件是操作系统 监控软件和控制器的驱动软件 早期的 DCS 系 统 所有这三个软件都是由 DCS 厂家自行开发的 或者说是专用的 这三个软件可能有不 相配的地方 所以在运行时产生死机 特别是键盘操作时几个特殊键按下时 就会产生死 机 另外一种情况是 有的 DCS 系统 监控软件从其它系统移植过来 DCS 制造厂家只 开发一个驱动软件 这种情况下 由于 DCS 销售量小 软件之间配合问题没有得到充分暴 露 死机就更为频繁 动态数据服务器不是系统刚投运时就存在的 许多 DCS 用户是最近几年根据需要才添 加的 DCS 运行时间比较长的情况下 工厂的维护人员不断更替 控制器的组态也不断变 化 但有一个现象是 组态只加不减 有一部分组态实际上已没有与真正的 I O 点相连 而动态数据服务器接入时 欲将 DCS 上所有数据点都读上去 而其中有很大数量的数据点 是无效的 因而造成网络堵塞 所以人机界面就发生死机现象 这时可以用逆向工程师站 读取控制器中的组态 与正向工程师站的内容进行比较 删除无效点 就可以避免网络堵 塞和死机现象 另一个应注意的问题是在接入动态数据服务器时 应检查所有接口的软件版本是否一 致 否则也会影响数据的传递 解决网络堵塞的第三种方法是 如果采用例外报告的方式 可将例外报告的区域加大 一些 以减少网络的通讯量 例外报告的意思是现场的某点只在发生变化时把数据送到网 络上 如果不发生变化就不会传送 但为了防止点已经坏而人机界面不知道的情况 所以 即使点不变化 超过一段时间也要报告 为了减少网络上的数量 把例外报告的二个参数 都适当加大 也能达到减少数据量的目的 最近几年推出的通用操作站 大多采用 NT 操作系统 监控软件也采用通用的 如 FIX INTOUCH 等 由于软件的销售量大 软件存在的问题较少 通用操作站的开放性能 好 死机现象会大大减少 无论维护成本 备件采购都不受 DCS 制造厂家的限制 这是 DCS 的一大进步 第六讲第六讲 DCS 操作站部件更换技巧和操作站部件更换技巧和 DCS 的打印系统的打印系统 1995 年以前从国外进口的 DCS 系统据不完全统计 大约近 3000 套 20 多种不同型号 的 DCS 系统 它们分别来自于美国 日本和欧洲 有的系统是专用的 它随主设备一起进 入我国 如造纸厂的一些控制系统如 Measurex ODX 它可能随造纸主设备进入我国 大 部分 DCS 是直接进入我国 又如欧陆的系统 6000 它是集成的 DCS 系统 回路控制器作 过程控制用 人机界面采用 PARAGON 软件作为监控软件 利用 PC 机的串形口 把 PLC 也接进 HMI 中 同一厂家又有几种不同型号的 DCS 这是由于系统升级或系统规模不同 而设计的不同型号的系统 把同一厂家的放在一起 观察几种 DCS 系统在中国的使用情况 用户有几十套以上的有以下几种系统 TDC3000 TDC2000 R150 S9000 XL CENTUM I A SPECTRUM N90 INFI90 PROVAX RS3 V APACES MOD300 MOD AC450 AC210 AC500 WDPF HIACS TELEPUM 和 MAX 1 MAX 1000 还有一些系统不到 10 个用户的 如 PROCONTROL P14 全国只有 4 套 D 3 只有 5 套 TOSDIC 系统在全国的用户也不多 无论在中国的用户多还是少 这些 DCS 系 统的共同特点是人机界面的许多部件也都是从第三方购买的 不是自己生产的 现在大部 分部件都已经停止生产 如有的 DCS 操作站主机采用 DEC 公司的 VAX 机或 机 在 96 年 DEC 已被 COMPAQ 公司兼并 到现在已经停产 5 年 不仅机器不生产 而且连芯片 也不生产 如果现在仍然进口这样的 DCS 备件将会成为很困难的事情 又如操作站使用的硬盘 与硬盘的接口大都是 ST412 接口 像 ST225 ST4096 ST4097 XT1085 等 或 IDE 接口 这种硬盘体积大 但容量小 目前已 停产多年 当操作站的硬盘损坏时 购买原配硬盘会比较困难 只能用与原硬盘同系列的 BIOS 稍加修改后的硬盘代替 少量的 SCSI 接口的硬盘购买要容易一些 还有低分辨率的 CRT 一般都是 RGB 输入 目前市场上的 CRT 无法与大部分 DCS 操作站相连 一旦 CRT 发生故障 操作站无法发挥作用 解决的办法是需要接一个转换器后才能用现在的显 示器和 DCS 操作站相连 用来显示 DCS 系统的信息 又如 ARCHIVE 磁带机 TEAC 软 驱等都无法买到 寻找旧产品是很困难的事情 即使找到 也不一定用的上 如硬盘还需 要低格或初始化等 如果还想用原来的操作站主机 就需要配上能兼容的硬盘 CRT 键盘等 80 年代进 口的 DCS 即使是 DCS 的生产厂家 有时也无法供应部分备件 有时能供应 但到货的 时间特别长 无法满足紧急要求 其价格可以说是天价 因为这些部件 DCS 厂家也是从第 三方购进的 也需要去寻找 使的供货时间很长 每个部件如硬盘 CRT 磁带机等都要 在几万甚至十几万人民币 如换主机 就需要几十万人民币 所以说 购买这些部件还需 要有新的思路 更换主机的话 有时甚至不如把原来操作站去掉 换上新的通用操作站 值的一提的是各 DCS 系统的专用打印机 像能打图形的 GENICON 打印机 它的打印 头 色带等很难买到 又如原 DCS 配的报警打印机 系统中只要有报警发生 打印机就会 不停的打印 而且报警的产生次序没有存储 不能查出哪一个报警是最先发生的 一些有 用的信息淹没在海量的无用的信息中 不仅浪费大量的打印纸 而且有用信息很难提取出 来 打印系统就是在上述背景下开发的 打印软件用于各类 DCS 系统的打印管理系统 该 打印系统可以与各类 DCS 系统的操作站相联 构成打印信息管理系统 包括在线报警记录 屏幕拷贝及事件列表等 不仅可以完全替代专用打印机 而且还兼有存储 查询等功能 从而更适合现场应用 每一套打印系统可以与 4 台 DCS 操作站相联 打印管理系统其核心是打印管理软件 把它安装在普通 PC 机上 在 WINDOWS 平台 上运行 为保证数据安全 采用 RAID 技术 双硬盘冗余运行 该软件是为改善计算机自 动控制 DCS 操作站的打印功能 加强信息的存储 查阅和拷贝能力而开发的一套打印信息 管理软件 具有功能强 界面友好 操作方便等特点 使用它可以从根本上避免过去只使 用打印机时 由于打印机故障而经常造成信息丢失的现象 也可以从根本上避免有用信息 淹没在大量无用信息中 使用可以将操作站的打印输出信息长期地以文件形式保存在硬盘 上 视硬盘容量及打印信息量的大小 可达数月甚至数年 也可将其拷贝到其它存储设 备 如 光盘等 上 打印系统可以自动识别操作站信息中的报警记录 控制操作 统计报表 事件触发报 表 画面拷贝及组态列表等内容 并分别进行处理 使用它可以实时地观察到操作站的报 警记录 控制操作 统计报表 事件触发报表 画面拷贝及组态列表等内容 并分别进行 处理 并可以实时地观察到操作站的报警记录和控制操作等需要即时响应的数据和状态 也能方便地查阅已经接受到的所有记录 既可以使用 离线打印 对已经接收到的信息进 行有选择地打印 又可以使用 在线打印 将操作员站的打印内容立即输出到打印机上 打印系统的工作原理是 各个打印机厂商生产的打印机都有与 WINDOWS 操作系统相 联的驱动程序 而原 DCS 的大部分操作站的操作系统是专用的 它们只有特殊几种打印机 的驱动程序 市场上常用的打印机它们没有驱动程序 所以是连不上的 实际上 打印系 统软件的任务是编写 WINDOWS 操作系统的反驱动软件 就是使 DCS 操作站来的信号能 在 WINDOOWS 环境下识别 然后通过 WINDOWS 的驱动程序去连接常用的打印机 打 印系统软件要识别不同的数据格式 因为原连接不同型号的 DCS 操作站的打印机有它们自 己的数据格式 如 ANSI 格式 IBM 格式等 在打印系统连接到操作站之前 弄清它的数 据格式 使这种数据格式在 WINDOWS 环境下工作 打印系统软件应编写 多种数据格式 的反驱动软件 另外 打印图形和打印文本的软件差别很大 仅打印文本 其软件比较简 单 打印图形比较复杂 比如采用 HP 打印机打印图形 首先弄清是点阵格式还是页扫描 格式 大部分 Hp 打印机是页扫描方式 软件要解释 PCL 指令 打印机就能打印操作站屏 幕上的图形 如果不是 HP 打印机 就要解释别的指令 打印系统软件国外和国内都有产品 经使用运行都很好 DCS 打印系统 第七讲第七讲 DCS 的基本结构和的基本结构和 PLC 的区别的区别 DCS 为分散控制系统的英文 TOTAL DISTRIBUTED CONTROL SYSTEM 简称 指的是 控制危险分散 管理和显示集中 60 年代末有人研制了作逻辑运算的可编程序控制器 Programmable Logic Controller 简称 PLC 主要应用于汽车制造业 70 年代中期以完 成模拟量控制的 DCS 推向市场 代替以 PID 运算为主的模拟仪表控制 首先提出 DCS 这 样一种思想的是原制造仪表的厂商 当时主要应用于化工行业 后又有计算机行业从事 DCS 的开发 70 年代微机技术还不成熟 计算机技术还不够发达 操作站 控制器 I O 板和网络 接口板等都是 DCS 生产厂家自行开发的 也就是所有部件都是专用的 70 年代初 有人用如 PDP 1124 这样的小型机代替原来的集中安装的模拟仪表控制 连接到中央控制室的电缆很多 如用小型机既作为控制器 同时把连接小型机的 CRT 又作 为显示设备 即人机界面 一台小型机需接收几千台变送器或别的传感器来的信号 完 成几百个回路的运算 很显然其危险有点集中 和模拟仪表连接的电缆一样多 并且一旦 小型机坏了 控制和显示都没有了 数字控制没有达到预期的目的 后有人提出把控制和显示分开 一台计算机完成控制计算任务 另一台计算机完成显 示任务 另外 一个工艺过程作为被控对象可能需要显示和控制的点很多 其中有一些还 需要闭环控制或逻辑运算 工艺过程作为被控对象的各个部分会有相对独立性 可以分成 若干个独立的工序 再把在计算机控制系统中独立的工序上需要显示和控制的输入 输出 的点分配到数台计算机中去 把原来由一台小型机完成的运算任务由几台或几十台计算机 控制器 去完成 其中一台机器坏了不影响全局 所谓 狼群代替老虎 的战术 这就 是危险分散的意思 把显示 操作 打印等管理功能集中在一起 用网络把上述完成控制 和显示的两部分连成一个系统 当时有人把这种系统称为集散系统 危险究竟要分散到多少算合适呢 这与当时的计算机技术的发展水平有关 70 年代中 期 彻底分散就是一个控制器完成一个回路的运算 当时由于人们对数字技术不太熟息 习惯于模拟仪表 70 年代末 80 年代曾经风行回路控制器 把数字控制器做成和原来模拟 仪表在外观上几乎完全一样 不改变操作习惯 内部把 PID 运算数字化 一块仪表 一 台计算机 完成一个回路的控制任务 其价格较为昂贵 但危险是分散了 然后用通讯网 络把各个控制器和以 CRT 为基础的人机界面连成一个系统 这时网络结构通常都是星形结 构 回路的控制器的制作成本太高 价格 性能比不好 后来为了减低成本 就有两回路的 四回路的控制器 它的价格 性能比稍好一些 对于一个大中型系统来说 DCS 的价格 性 能比比回路控制器组成的系统要好 有些特殊地方还是要用到一些回路控制器 如果所要完成的回路太多 如一个控制器采集几千点 完成几百个回路的运算 危险 又太集中 在这种情况下 危险必需分散 随着计算机技术的发展 计算机的运算能力 存储容量和可靠性不断提高 一台计算机所完成的任务也可以增加 完成的任务也可集中 一点 另外 控制器 网络等冗余技术也得到了发展 控制运算也可集中一些 从目前的 DCS 来看 一个控制器完成几十个回路的运算和几百点的采集 再加适量的 逻辑运算 经现场使用 效果是比较好的 这就产生控制器升级的问题了 有时控制器和 检测元件的距离还是比较远 这就促进现场总线的发展 如 CAN LOONWORKS FF 等 现场总线 以及 HART 协议接收板等都用到 DCS 系统中 DCS 分为三大部分 带 I O 板的控制器 通讯网络和人机界面 HMI 由 I O 板通 过端子板直接与生产过程相连 读取传感器来的信号 I O 板有几种不同的类型 每一种 I O 板都有相应的端子板 l 模拟量输入 4 20 毫安的标准信号板和用以读取热电偶的毫伏信号板 4 16 个通 道不等 2 模拟量输出 通常都是 4 20 毫安的标准信号 一般它的通道比较少 4 8 个个通 道 3 开关量输入 16 32 个通道 4 开关量输出 开关量输入和输出还分不同电压等级的板 如直流 24 伏 125 伏 交流 220 伏或 115 伏等 8 16 个通道不等 5 脉冲量输入 用于采集速率的信号 4 8 通道不等 6 快速中断输入 7 HART 协议输入板 8 现场总线 I O 板 每一块 I O 板都接在 I O 总线上 为了信号的安全和完整 信号在进入 I O 板以前信号 要进行整修 如上下限的检查 温度补偿 滤波 这些工作可以在端子板完成 也可以分 开完成 完成信号整修的板现在有人称它们为信号调理板 I O 总线和控制器相连 80 年代的 DCS 由于控制器的运算能力不强 为了增加 I O 点 数 把控制器的任务分开 实际上是有三种类型的控制器 即 完成闭环运算的控制器 模拟量数据采集器和逻辑运算器 它们分别有自己的 I O 总线 各种 DCS 的 I O 总线各不 相同 如果要求快速 最好采用并行总线 一般采用串行总线比较多 尤其是 RS485 总线 较多 模拟量数据采集器和逻辑运算器的 I O 点数可以多一些 闭环控制器 模拟量数据采集器和逻辑运算器可以和人机界面直接连在通讯网络上 在网络上的每一个不同的控制器作为网络上的一个独立结点 每一个结点完成不同的功能 它们都应有网络接口 有的 DCS 为了节省网络接口 把所有的过程控制用的设备即闭环控制器 模拟量数据采集 器和逻辑运算器预先连在控制总线上 称为过程控制站 这可以增加过程控制站能接收的 I O 点数 又能节省接口 然后再通过接口连到网络上 与人机界面相连 随着计算机计 术的发展 控制器的运算能力不断增强 如 PC 机做的一个控制器能力很强 既可接收模 拟量运算 也接收开关量逻辑运算 一个控制器成为网络上的一个结点 通过网络与人机 界面相连 控制器是 DCS 的核心部件 它相当于一台 PC 机 有的 DCS 的控制器本身就是 PC 机 它主要有 CPU RAM E2PROM 和 ROM 等芯片 还有两个接口 一个向下接收 I O 总线 来的信号 另一个接口是向上把信号送到网络上与人机界面相连 ROM 用来存贮完成各种 运算功能的控制算法 有的 DCS 称为功能块库 在库中存功能块 如控制算法 PID 带 死区 PID 积分分离 PID 算术运算加 减 乘 除 平方 开方 函数运算一次滤波 正弦 余弦 X Y 函数发生器 超前 滞后 比较先进的算法有史密斯预估 C 语言接口 矩阵加 矩阵乘 逻辑运算有逻辑与 逻辑或 逻辑非 逻辑与非等 通常用站功能块不 仅把模拟量和开关量结合起来 还与人连系起来 功能块越多 用户编写应用程序 即组 态 越方便 组态按照工艺要求 把功能块连接起来形成控制方案 把控制方案存在 E2PROM 中 因为 E2PROM 可以擦写 组态要随工艺改变而改变 所以把组态存在 E2PROM 中 不同用户有不同组态 组态时 用户从功能块库中选择要的功能块 填上参 数 把功能块连接起来 形成控制方案存到 E2PROM 中 这时控制器在组态方式 投入运 行后就成为运行方式 控制器中安装有操作系统 功能块组态软件和通讯软件 为了系统安全运行 闭环控制器一定是冗余运行的 一用一备 并且是热备 为了使 冗余成功 应注意以下几点 两个控制器的硬件 软件版本必需一致 检查发送 接收的芯 片是否完好 冗余的芯片是否完好 两个模件的设定是否一样 还要检查有没有带手操站 等 通讯网络把过程站和人机界面连成一个系统 通讯网络有几种不同的结构行式 如总 线式 环形和星形 见图 总线形在逻辑上也是环形的 星形的只适用于小系统 不论 是环形还是总线形 一般都采用广播式 其它一些协议方式已用的较少 通讯网络的速率 在 10M 和 100M 左右 人机界面有 4 种不同形式的结点 它们是操作站 工程师工作站 历史趋势站和动态 数据服务器 u 操作站安装有操作系统 监控软件和控制器的驱动软件 显示系统的标签 动态 流程图和报警信息 u 工程师工作站给控制器组态 CAD 也可以给操作站组态 作动态流程图 如果监控软件作图能力很强 作图工作可以由监控软件独立完成 工程师站的另外一个功 能是读控制器的组态 用于控制器升级 查找故障 我们称之为逆向工程师站 u 历史趋势站用于存储历史数据 一般用磁盘阵列 称为 RAI